MXene材料用于提高太赫兹超材料检测血液灵敏度中的应用及芯片的制作方法

mxene材料用于提高太赫兹超材料检测血液灵敏度中的应用及芯片
技术领域
1.本发明涉及检测领域，具体涉及mxene材料用于提高太赫兹超材料检测血液灵敏度中的应用及芯片。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，thz)波又称thz辐射或者t射线，是指一段跨越高频微波区和低频远红外区的电磁波，该频谱区域内电磁波的频率为0.1-10thz(1thz＝10
12
hz)，波长为30μm-3mm。超材料是一类由周期性排列的亚波长谐振单元和载体构成的新型人工复合材料，基于物理局域电场增强效应，超材料具备极强的表面介电环境感知能力。如果把超材料的开口谐振环看作为一个电感电容电路元件，超材料的共振频率即可表示为：
[0003][0004]
其中l和c分别是电感和电容，电感主要是所制备超材料的几何参数所决定，而电容则与待测物质的有效介电常数密切相关。当thz波入射至超材料表面时，可引起表面的局域电场增强，此时覆盖在超材料表面物质的细微有效介电常数的改变就可导致电容的巨大变化，最终导致了共振频率出现移动，这种共振频率位移的大小与覆盖物质的量呈明显相关性，因此可应用于各类生物传感检测。
[0005]
近年来，随着thz波的产生和检测技术逐渐成熟，thz超材料传感技术在生物学领域的应用成为了研究热点。在血液学检测领域，组成血细胞或血红蛋白的核酸、蛋白、糖类和脂类等生物大分子之间/内的弱相互作用力(氢键、范德华力等)、骨架振动和转动的能级等正好处于thz波的频率范围内，使得thz波对红细胞、白细胞、血小板和血栓物质等表现出不同信号响应，进而被认为可以进行血液成分的检测。但现有thz超材料技术仍处于发展阶段，由于红细胞等血液主要成分的尺度与太赫兹波长失匹配，其现有检测灵敏度尚无法满足血液检测应用的需求。
[0006]
近年来一种在多个波段具备光电可调属性的新型二维无机化合物材料(mxene)的出现，有望为提升thz超材料检测灵敏度提供新契机。mxene材料是美国德雷赛尔大学gogotsi教授及其团队在2011年发现的新型二维层状材料，具有高导电率、高光电可调性、高亲水性、高体表面积性和丰富的表面基团特点。mxene因其合成过程而得名，目前mxene的合成过程分为自上而下和自下而上两种合成方法。(1)自上而下法：湿法蚀刻是目前最流行的自上向下合成mxene的技术之一，主要通过浓缩的氟化氢(hf)溶液作为蚀刻剂，从母体max相中选择性地蚀刻出一层层类似剥落石墨的形态(m、a和x分别指的是早期过渡金属，一种a族元素，和碳或氮)，最大相是具有通式mn+1axn(n＝1，2，3)的层状三元金属碳化物、氮化物或碳氮化物，其中第一个mxene碳化钛(ti3c2)就是通过湿法蚀刻合成得到的。(2)自下而上法：例如化学气相沉积法(cvd)，该法以甲烷作为碳前气体，氢气作为还原气体与载气，在生长温度为1100℃的环境下将母体max相分解，在基地处得到固态薄膜。
[0007]
由于mxene优异的电气，电子，机械性能，mxene材料已被证实在包括thz波在内的
各个波段均表现出优良的光学调制特性，如高吸收、强光致发光等。与包括碳基石墨烯或硫基过渡金属二硫化物(tmd)等其他2d材料相比，mxene的兴起弥补了二维无机化合物在生物传感领域应用的局限性。(1)与石墨烯比较：与石墨烯表现出优异的导电性但官能团稀缺不同，mxene提供了丰富的亲水性末端，可轻松进行电极修饰和生物分子的锚定，同时保持较好的导电性。与石墨烯的无间隙带结构限制其在光学生物传感中的应用相比，mxene中的带隙具有高度可调性，并已用于超灵敏光电化学生物传感器和场效应晶体管。(2)与tmd比较：尽管tmd已被证明具有可设计的带隙和比石墨烯更好的光响应性。然而基于tmd的生物传感器仍面对着低电导率、易聚集、在电信号转导上难以稳定输出等问题。与之相比，mxene受益于极性官能团的表面，则表现出抗聚集性和稳定的分散性，能在液相中稳定存在数周时间。由于mxene展现的稳定的分散性、充足的端接以及优异的导电性，这极大的简化了生物传感器功能化的途径，并有利于生物传感器性能的提高。
[0008]
尽管上述结果展示了mxene材料在生物传感领域的巨大潜力，但mxene材料能否用于提升超材料检测血液灵敏度未见报道，并且目前无适用于集成mxene材料和thz超材料的检测装置。


技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供mxene材料与thz超材料芯片杂交结合用于制备提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片中的应用；本发明的目的之二在于提供提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片；本发明的目的之三在于提供利用所述芯片的检测红细胞浓度的方法。
[0010]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0011]
1、mxene材料与thz超材料芯片杂交结合用于制备提高太赫兹检测血液浓度灵敏度的芯片中的应用。
[0012]
本发明优选的，所述mxene材料由ti3c2t
x
薄片自组装成致密均匀的mxene薄膜。
[0013]
本发明优选的，所述thz超材料芯片由高电阻率硅衬底上的平面金膜刻蚀的谐振环阵列组成。
[0014]
2、提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，所述芯片由thz超材料芯片与单片mxene材料的杂交结合制得mxene镀膜的thz超材料芯片。
[0015]
本发明优选的，所述mxene镀膜的thz超材料芯片由以下方法制备：将单层ti3c2t
x
水分散体中加入硝酸使mxene自组装薄片更致密，然后在稀释的ti3c2t
x
水分散体表面滴加乙酸乙酯使ti3c2t
x
薄片自组装成致密均匀的mxene薄膜，然后将mxene薄膜转移到thz超材料衬底表面。
[0016]
本发明优选的，所述ti3c2t
x
水分散体的浓度为0.6～1mg/ml；所述硝酸加入后浓度为0.005～0.007mol/ml。
[0017]
本发明优选的，所述thz超材料芯片thz超材料芯片为同心正方形构成谐振环阵列，内层正方形的边与外层正方形的边在对称轴方向连接，所述内层正方形的四个角刻蚀有开口。
[0018]
本发明优选的，所述谐振环阵列的外层正方形边长为45μm，边框宽度为5μm；内层正方形边长为16μm，边框宽度为5.5μm。
[0019]
本发明优选的，所述四个角刻蚀宽度为2μm；内层正方形与外层正方形连接线宽度为5μm。
[0020]
3、利用所述芯片的检测红细胞浓度的方法，具体步骤如下：将芯片放入检测夹具，然后将含有红细胞的血液用微量注射泵从入口端打入，进行thz光谱检测。
[0021]
本发明的有益效果在于：本发明提供了mxene材料与thz超材料芯片杂交结合用于制备提高太赫兹检测血液浓度灵敏度的芯片中的应用，利用mxene材料具有高导电率、高光电可调性、高亲水性、高体表面积性和丰富的表面基团特点，提高thz超材料检测血液灵敏度；具体原理如下：高导电率的mxene材料可以首先极大的抑制thz超材料共振峰的信号响应，降低其在thz波段的透过率。由于mxene材料具有良好的光电可调性，当其表面结合血液等生物样本后，两者间的电子转移会降低mxene材料的导电率，进而使被抑制的thz超材料共振峰重新显现，提高thz波段的透过率。这种thz波段的透过率的提高和mxene材料上结合生物样本的量呈正比，且微量生物样本即可引起mxene材料的导电率的改变，进而极大影响透过率的变化。因此mxene材料在整个生物传感的过程中起到了一个信号转换放大的作用，可达到提高血液等生物样本检测灵敏度的效果。
附图说明
[0022]
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0023]
图1为单片ti3c2t
x
mxene材料的扫描电镜图；
[0024]
图2为thz超材料芯片的结构图；
[0025]
图3为mxene镀膜的thz超材料芯片的xdr光谱；
[0026]
图4为mxene镀膜的thz超材料芯片的afm图像；
[0027]
图5为mxene镀膜的thz超材料芯片的sem图像；
[0028]
图6为mxene镀膜的thz超材料芯片的thz-tds光谱；
[0029]
图7为mxene镀膜的thz超材料芯片用于血液检测的夹具图(a：结构图；b：实物图)。
[0030]
图8为普通超材料、石墨烯超材料和mxene超材料检测不同浓度血液的结果(a：普通超材料检测不同浓度血液的结果；b：石墨烯超材料检测不同浓度血液的结果；c：mxene超材料检测不同浓度血液的结果)。
[0031]
图9为mxene镀膜的thz超材料、石墨烯镀膜的thz超材料和普通超材料检测血液浓度的有效透过面积图(a：有效透过面积；b：线性拟合图)。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0033]
本发明所使用的mxene材料是指一种二维层状无机化合物材料，具有高导电率、高光电可调性、高亲水性、高体表面积性和丰富的表面基团特点。mxene材料提高thz超材料检测血液灵敏度的原理如下：高导电率的mxene材料可以首先极大的抑制thz超材料共振峰的信号响应，降低其在thz波段的透过率。由于mxene材料具有良好的光电可调性，当其表面结合血液等生物样本后，两者间的电子转移会降低mxene材料的导电率，进而使被抑制的thz
超材料共振峰重新显现，提高thz波段的透过率。这种thz波段的透过率的提高和mxene材料上结合生物样本的量呈正比，且微量生物样本即可引起mxene材料的导电率的改变，进而极大影响透过率的变化。因此mxene材料在整个生物传感的过程中起到了一个信号转换放大的作用，可达到提高血液等生物样本检测灵敏度的效果。
[0034]
实施例1、单片mxene材料的合成
[0035]
使用氢氟酸/盐酸蚀刻剂从最大相选择性蚀刻铝原子层合成所需的单片mxene材料，本发明选用ti3c2t
x
作为代表性的mxene材料，合成的单片mxene材料的扫描电镜图见图1。mxene合成的具体方法：ti3c2t
x
是通过使用氢氟酸/盐酸蚀刻剂从最大相选择性蚀刻铝原子层而合成的。通过在35℃下搅拌混合18毫升38％盐酸、3毫升49％氢氟酸和9毫升去离子水。然后在氩气流下将1克ti3alc
2 max相前体缓慢加入混合物中24小时。蚀刻后，用去离子水重复洗涤多层ti3c2t
x
粉末，直到溶液的ph值为≥6.0将沉淀物重新分散到20毫升水中，然后添加到含有1克氯化锂和20毫升去离子水的分层溶液中，然后在氩气流下、65℃、以400rpm搅拌1小时。使用去离子水以7000rpm离心洗涤分层分散体，直到ph≥6.0分层后，在离心机4500rpm下最终离心5分钟之前，用去离子水反复洗涤溶液，以产生由ti3c2t
x mxene单片组成的水溶液。
[0036]
实施例2、thz超材料芯片的制作
[0037]
使用的thz超材料由高电阻率硅衬底上的平面金膜的裂缝谐振环阵列组成。在高电阻率硅衬底上预沉积金膜，然后使用标准光刻方法在金膜表面上制造裂缝谐振环阵列，其中具体的形状如图2所示。阵列的每个单元是边长p为65μm的正方形，阵列上沉积的金膜厚度为50～100nm。谐振环阵列由4边对称连接的同心正方形构成，外层正方形边长f为45μm，边框宽度w为5μm，内层正方形边长d2为16μm，边框宽度(d2-d1)/2为5.5μm，内层正方形与外层正方形连接边宽度g为5μm，且内层正方形的四个角刻蚀宽度l为2μm的开口。
[0038]
阵列的每个单位单元是偏振不敏感型，具体参数是为血液检测专门设计的，其富含局域电场增强的区域尺寸与红细胞尺寸匹配，可最大程度的发挥thz超材料的检测能力。thz超材料合成后再利用切割机将整块thz超材料芯片切割成1.5cm
×
1.5cm大小的检测芯片，该检测芯片将与合成的mxene材料杂交结合。
[0039]
实施例3、thz超材料芯片与单片mxene材料的杂交结合
[0040]
采用界面自组装的方式将thz超材料芯片与单片mxene材料的杂交结合，首先向40毫升去离子水中加入120～150微升的单层ti3c2t
x
水分散体(浓度为1毫克/毫升)。向稀释的ti3c2t
x
水分散体中加入硝酸(1毫升，1摩尔)以使随后的mxene自组装薄片更致密。然后在稀释的ti3c2t
x
水分散体表面滴加乙酸乙酯(2毫升，滴加速度5微升/秒)。溶解的ti3c2t
x
薄片将通过瑞利-贝纳德对流输送至空气-水界面。由于水和乙酸乙酯之间的表面张力差产生马朗戈尼效应，驱动漂浮的ti3c2t
x
薄片自组装成致密均匀的mxene薄膜。最后，将单层组装ti3c2t
x
膜转移到缓慢上升的thz超材料衬底表面上，直接在空气中干燥24小时，形成mxene镀膜的thz超材料芯片。
[0041]
分别采用x射线衍射光谱(xdr)、原子力显微镜(afm)、扫描电镜(sem)和太赫兹光谱(thz-tds)表征杂交合成的mxene镀膜的thz超材料芯片，结果如图3-6所示。
[0042]
如图3显示，在6.9
°
处检测出明显的mxene特征峰，表明成功合成了mxene镀膜。图4显示在thz超材料芯片上的mxene镀膜呈现不规则褶皱，总体高度范围为81.38纳米。如图5
显示，未结合mxene材料的thz超材料芯片图像，表面光滑平整，金膜结构清晰。结合了mxene材料的thz超材料芯片图像，表面出现明显的mxene镀膜褶皱，与afm观测结果一致。
[0043]
如图6显示，黑色曲线为未结合mxene材料的thz超材料芯片，在0.69处出现了很明显的特征共振峰；红色曲线为结合了mxene材料的thz超材料芯片，由于mxene镀膜的高导电率，极大的抑制thz超材料共振峰的信号响应，降低其在thz波段的透过率。
[0044]
实施例4、mxene镀膜的thz超材料芯片用于血液检测
[0045]
将制作好的mxene镀膜的thz超材料芯片放入特制的检测夹具(由英国specac公司的specac omni cell system改造)，该夹具的结构图和实物图如图7所示。用微量注射泵从入口端打入血液进行thz光谱检测。
[0046]
采用mxene镀膜的thz超材料芯片检测不同红细胞浓度的血液步骤如下：
[0047]
(1)将制作好的mxene镀膜的thz超材料芯片放入特制的检测夹具，用微量注射泵从入口端打入纯水和不同红细胞浓度的血液(hct为2.5％、5％、10％、20％、30％、40％)进行thz光谱检测。
[0048]
(2)为了验证mxene材料提升血液检测灵敏度的能力，在进行实验的同时将mxene镀膜的thz超材料芯片替换为普通超材料和石墨烯镀膜的thz超材料芯片，检测相同的血液样本，检测结果如图8所示。结果显示，普通超材料无法将各个浓度的血液进行有效区分，石墨烯镀膜的thz超材料芯片虽然可以区分不同浓度的血液但其信号放大程度明显弱于mxene镀膜的thz超材料芯片。利用mxene镀膜的thz超材料芯片则可以将不同浓度的血液有效区分且信号放大效果强于另外两种超材料。该结果证明了mxene镀膜的thz超材料芯片具有最大程度提升血液检测灵敏度的效果。
[0049]
使用含有mm的微流体样品池的透射光谱作为参考信号，并计算了thz有效透过面积：
[0050][0051]
其中，|fs和|fr分别样本和其太赫兹频域信号。|f1和f2对应于初始频率和结束频率，df表示计算和之间曲线下面积。初始频率和结束频率分别设置为0.64thz和0.74thz。为了消除仪器性能波动的影响，每个样品都测量了三次。mxene镀膜的thz超材料、石墨烯镀膜的thz超材料和普通超材料检测血液浓度的有效透过面积如图9中a所示，结果可以看到mxene超材料与石墨烯超材料随着浓度的增加，透过强度逐渐上升，而超材料则变化趋势较缓。此外，mxene镀膜的thz超材料的结果显示2.5％和5％浓度的血液可以得到很好的区分，但是这两个浓度无法使用石墨烯超材料进行区分，因此mxene镀膜的thz超材料的最低检测浓度为2.5％，石墨烯超材料的最低检测浓度为5％。我们采用线性拟合的方式计算出3种超材料的标准曲线，三种超材料的线性拟合方程见图9中b所示，采用该标准曲线可以测量血液的hct浓度。
[0052]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

技术特征：
1.mxene材料与thz超材料芯片杂交结合用于制备提高太赫兹检测血液浓度灵敏度的芯片中的应用。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述mxene材料由ti3c2t
x
薄片自组装成致密均匀的mxene薄膜。3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述thz超材料芯片由高电阻率硅衬底上的平面金膜刻蚀的谐振环阵列组成。4.提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述芯片由thz超材料芯片与单片mxene材料的杂交结合制得mxene镀膜的thz超材料芯片。5.根据权利要求4所述提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述mxene镀膜的thz超材料芯片由以下方法制备：将单层ti3c2t
x
水分散体中加入硝酸使mxene自组装薄片更致密，然后在稀释的ti3c2t
x
水分散体表面滴加乙酸乙酯使ti3c2t
x
薄片自组装成致密均匀的mxene薄膜，然后将mxene薄膜转移到thz超材料衬底表面。6.根据权利要求5所述提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述ti3c2t
x
水分散体的浓度为0.6～1mg/ml；所述硝酸加入后浓度为0.005～0.007mol/ml。7.根据权利要求5所述提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述thz超材料芯片thz超材料芯片为同心正方形构成谐振环阵列，内层正方形的边与外层正方形的边在对称轴方向连接，所述内层正方形的四个角刻蚀有开口。8.根据权利要求7所述提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述谐振环阵列的外层正方形边长为45μm，边框宽度为5μm；内层正方形边长为16μm，边框宽度为5.5μm。9.根据权利要求7所述提高太赫兹检测血液浓度的灵敏度的芯片，其特征在于：所述四个角刻蚀宽度为2μm；内层正方形与外层正方形连接线宽度为5μm。10.利用权利要求4～9任一项所述芯片的检测红细胞浓度的方法，其特征在于：具体步骤如下：将芯片放入检测夹具，然后将含有红细胞的血液用微量注射泵从入口端打入，进行thz光谱检测。

技术总结
本发明公开了MXene材料用于提高太赫兹超材料检测血液灵敏度中的应用及芯片，通过利用MXene材料具有高导电率抑制THz超材料共振峰的信号响应，降低其在THz波段的透过率；由于MXene材料具有良好的光电可调性，当其表面结合血液等生物样本后，两者间的电子转移会降低MXene材料的导电率，进而使被抑制的THz超材料共振峰重新显现，提高THz波段的透过率；THz波段的透过率的提高和MXene材料上结合生物样本的量呈正比，且微量生物样本可引起MXene材料的导电率的改变，进而极大影响透过率的变化。因此具有信号转换放大的作用，可达到提高血液等生物样本检测灵敏度的效果。等生物样本检测灵敏度的效果。等生物样本检测灵敏度的效果。


技术研发人员：杨柯 黄虹皓 辛梅 张近宝 胡旻 赵陶 肖旭 张晓秋艳
受保护的技术使用者：中国人民解放军西部战区总医院
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/19